双孔洞式双裂隙类岩石力学特性及裂纹扩展分析

为了研究单轴压缩下含有双孔洞和双裂隙缺陷岩石的力学响应,通过完整类岩石室内单轴压缩试验和颗粒流程序PFC~(2D)模拟试验试样的弹性模量和峰值强度等相关参数及破坏形态的对比分析,最终选取一组合理的细观参数,对双孔洞、双裂隙和双孔洞式双裂隙试样进行单轴压缩模拟试验。研究表明:双孔洞和双裂隙缺陷显著弱化了岩石抗压承载的力学特性,双孔洞缺陷的弱化效应大于双裂隙,随裂隙的倾角增大,双裂隙对岩石的弱化作用逐渐减小,且双孔洞和双裂隙对岩石产生的共同弱化效应小于叠加弱化效应;当裂隙的倾角较小时,试样的初始裂纹萌生于裂隙尖端和孔洞与裂隙的岩桥,孔洞与裂隙较容易贯通,随倾角增大,孔洞的上下部开始萌生初始裂纹,且当倾角为90°时,初始裂纹仅萌生于孔洞的上下部,孔洞与裂隙不贯通;双孔洞式双裂隙试样的破坏模式主要为拉伸破坏,且拉伸破坏主要发生在孔洞的上下部、外侧和裂隙的尖端,剪切破坏主要在孔洞与裂隙的岩桥产生。     

平行裂隙砂岩破坏和声发射特性数值研究

为了研究加载速率对裂隙砂岩破坏特征和声发射响应的影响,利用RFPA2D数值模拟软件对单轴压缩条件下的预制平行裂纹砂岩进行模拟,分析不同加载速度下的力学特性、声发射响应特性和裂纹演化规律。结果表明:随着加载速率的增加,平行裂隙砂岩峰值强度、峰值应变、岩桥破裂强度和岩桥破裂应变都相应增大;峰值声发射计数也随着加载速率的增加而增大;当加载速率较小时,声发射信号较为丰富,试样破裂以沿预制裂纹扩展的剪切破坏为主,当加载速率较大时,声发射信号更加集中于破裂瞬间,最终的主裂纹为与加载方向平行的张拉裂纹。     

单裂隙砂岩破坏特征和破裂演化规律试验北大核心

针对含不同倾角裂隙的板状砂岩试样开展单轴加载试验,从宏细观角度深入探索裂隙倾角对脆性岩石变形破坏特征、声发射及破裂演化规律的影响效应,揭示其破坏机制。结果表明:裂隙倾角α较小时(0°≤α≤30°),应力-应变曲线呈锯齿状;翼裂纹首先在初始裂隙中部萌生,次生拉伸裂纹扩展贯通导致试样破坏,声发射较为分散,以劈裂破坏为主;随裂隙倾角增加(30°<α<90°),应力跌落次数减少,峰值强度和弹性模量不断升高;翼裂纹起裂位置向初始裂隙尖端转移,起裂强度和起裂强度比逐渐增加,次生裂纹转为剪切裂纹,声发射趋于集中,破坏模式向剪切破坏过渡;裂隙倾角为90°时,应力-应变曲线光滑,初始裂隙起裂前试样瞬间破坏,声发射异常集中,以劈裂破坏为主,与完整试样基本一致。     

温度对深部裂隙砂岩裂纹扩展规律的影响

为研究裂隙砂岩在不同温度条件下的力学特性和裂纹扩展规律,对不同温度（-20℃、20℃、40℃）处理后的裂隙砂岩进行双轴压缩试验,并采用PFC2D模拟了裂隙砂岩在不同温度作用后的双轴压缩试验,分析了裂隙砂岩在温度作用后的裂纹演化、破坏模式、扩展速率和扩展形态等参数的变化规律。研究结果表明,温度对裂隙砂岩的裂纹扩展速率和形态有着显著影响,高温条件下裂纹扩展速率更快,并且裂纹形态呈对称“L”形,同时裂纹数量增多;低温条件下裂纹扩展速率减缓,裂纹形态呈对称平行直线形。此外,温度对颗粒之间的摩擦力和黏结力也会产生影响,从而影响裂纹扩展。通过对比温度-应力耦合数值模型与试验结果可知,两者的相似度高达95%,可以较好地验证裂隙砂岩裂纹扩展规律,研究工作可为岩石力学领域的技术创新提供新思路和新方法。     

裂隙重合度对砂岩力学性质及损伤演化的影响

为了研究裂纹重合度对裂隙砂岩力学性质和损伤演化规律的影响,利用RFPA~(2D)软件对5种裂纹重合度的砂岩试样进行了单轴压缩试验数值模拟,分析不同裂纹分布条件下的力学特性、声发射特性和损伤演化过程。结果表明:预制裂纹重合度越接近100%,平行裂隙砂岩试样的峰值强度和起裂强度越大,声发射计数量也随之增多;裂纹扩展都是由翼裂纹萌发开始,不同裂纹分布情况下,翼裂纹发展的趋势有明显差别,裂纹重合度小于100%时会出现岩桥贯通现象;当裂隙重合度接近100%时,有其中1条翼裂纹主导破裂过程,发育过程较慢,强度相对越高;而当裂纹重合度大于100%时,两端的翼裂纹相对独立的扩展直至形成贯通裂纹,裂纹发展速度快,加速了破坏失稳的形成。     

含充填裂隙砂岩破坏特征的模拟研究

深部应力环境下充填裂隙会影响岩石的破坏特征,针对此问题,基于PFC2D模拟了充填裂隙对砂岩裂纹发育、力链和应力场演化特征的影响。结果表明：试样在属性相对较弱的充填裂隙内部起裂,在承压条件低于砂岩颗粒破坏的阈值前,裂纹仅在充填裂隙内部发育,超过阈值时裂纹在充填裂隙尖端突破;砂岩颗粒与充填裂隙尖端交界处受较高的压应力,充填裂隙内部分布有拉应力;充填裂隙中部的应力集中导致试样起裂,裂纹突破充填裂隙后,内部形成卸压区,试样由两侧完整部分承载。     

不同围压下含预制裂隙煤体裂隙演化特征研究

为探究不同围压下含预制裂隙煤体裂隙演化特征,基于受载煤岩工业CT扫描系统开展不同围压下三轴压缩试验,通过受载煤体内部裂隙三维可视化分析,研究不同围压下煤体裂隙演化规律,借助PFC模拟软件,以裂纹数量为量化指标表征围压对裂纹发育程度的影响。此外,推导出考虑裂隙宽度的应力强度因子表达式,并以最大周向应力准则计算裂隙的理论起裂角度。结果表明：随着围压的增大,裂隙起裂角度减小,3,5,7 MPa围压下,翼裂纹在预制裂隙端部沿着最大主应力方向扩展,最终呈现为“X”或“Y”型拉-剪复合型破坏,9 MPa围压下,煤体翼裂纹发育受阻,次生裂纹充分扩展,呈现出次生裂纹沿共面扩展的剪切破坏形式;围压效应和剪切裂纹的互锁效应均对裂隙发育模式产生影响,但二者作用机制不同,前者为全局作用,后者必须在原生裂隙压密到一定程度时才发挥作用;矿物颗粒赋存状态影响裂隙的发育形态,由纯粹拉应力导致的翼裂纹较为完整,而次生裂纹则呈“残缺”状态,该残缺状态随围压增加而增加;峰值应力前,各裂纹数量呈先减少后增加的规律,拉伸裂纹占比不断减少;经典欧文Ⅰ型应力强度因子适用于张开型裂隙,采用考虑裂隙宽度的应力强度因子计算的起裂角度更接...     

尖端相交裂隙砂岩强度与破裂演化特征试验研究

岩石中裂隙的分布形态对岩石力学特性的影响极为显著。通过对含尖端相交裂隙砂岩试样进行单轴压缩试验,研究了2条相交裂隙分布方向角β和夹角α对砂岩强度、变形及破裂演化特征的影响。试验结果表明:随着β角的增大,试样峰值强度逐渐增大,平均模量先增大后减小。当β角为0°时,试样表现为双裂隙外尖端贯通破坏,当β角在30°~45°之间时,试样表现为单裂隙外尖端开裂破坏;当β角在60°~90°之间时,试样表现为双裂隙外尖端独立开裂破坏。随着β角的增大,裂隙内尖端的裂纹发育程度逐渐减弱。随着α角的增大,试样峰值强度逐渐减小,平均模量表现出先减小后增大再减小的趋势,当α角在30°~60°之间时,试样表现为单裂隙外尖端开裂破坏;当α角在90°~150°之间时,试样表现为双裂隙外尖端开裂破坏。随着α角的增大,裂隙内尖端裂纹发育程度逐渐减弱直至无裂纹产生。利用声发射仪记录了试样加载过程中的声发射特征,结果表明AE事件数主要集中在峰值和峰前非线性段,宏观裂纹的起裂、扩展和贯通都会产生明显的AE事件。     

基于离散元的边坡稳定性模拟研究

云南磷化集团下属的尖山磷矿坡顶出现裂缝后,采取了包括停产、封堵处理裂缝、加强坡顶的巡回观测等一系列措施,避免了裂缝的进一步发展和恶化,对边坡的暂时稳定性起到积极的作用.但在对该矿山稳定性的判断上由于监测数据不足,存在一定的误区.以云南磷化集团矿山重大事故隐患辨识和危险性评价研究为依托,采用离散元对边坡稳定性进行了模拟,模拟结果表明,在现状条件下(边坡长200 m),如果出现裂缝的区域全部滑落,则大约滑落量为95万m3,严重影响到采场采剥作业的人生及设备安全.经方案比较,局部放缓成本较低,可降低相关风险.     

用离散单元法模拟动筛跳汰过程的研究

采用岩土工程中发展起来的离散单元法对动筛跳汰过程进行模拟研究，并用现有成熟理论和专后果地所建立的模拟模型进行了验证和确认。模拟结果表明，颗粒之间的力是通过碰撞而产生的，并贯穿整个动筛跳汰过程，不同性质的颗粒相对运动的结果导致床层的仇支。模拟模型既体现了“确定派”跳汰理论的基本思想，又兼顾了“粒群一统计派”跳汰理论的特点，所以模拟结果比较客观地体现了实际动筛跳汰过程。     

城市固体废弃物充填采空区的离散元分析

在分析城市垃圾组分及矿山地下采空区处理的基础上,以某矿业城市垃圾充填附近矿山采空区为例,采用离散单元法对利用垃圾充填和自然崩落两种采空区处理产生的力学效应进行了分析,可对垃圾充填采空区提供参考。     

切缝药包爆炸作用下裂纹扩展行为的试验研究

为了研究岩石动态破裂机理,采用高速摄像技术,对切缝药包间隔装药爆炸作用下混凝土试件的破坏过程进行了物理模拟试验。试验研究表明,切缝药包爆炸作用下,混凝土试件在切缝方向上产生两条基本对称的裂纹A和裂纹B。裂纹的萌生、快速扩展以及最后的失稳过程非常明显。裂纹萌生后,其扩展速度急剧达到峰值698m/s,接着快速下降,最后阶段裂纹扩展速度变化平稳。研究结果为切缝药包在实际爆破工程中的应用提供了试验依据。     

含缺陷砂岩裂纹扩展特征试验与模拟研究

采用岩石力学伺服控制试验机和声发射仪,对含缺陷砂岩进行了单轴压缩试验,研究了岩石的裂纹扩展和声发射特征。同时采用岩石破裂过程分析系统进行了模拟研究,试验结果和模拟结果具有较好的一致性。在此基础上进行了多次重复模拟试验,探讨了材料非均质性对岩石裂纹扩展特征的影响。实验结果表明:岩石材料裂纹扩展特征与材料非均质性密切相关,主裂纹首先在裂隙尖端产生并沿垂直裂隙方向扩展,而后改沿最大主应力方向朝端部扩展,但此后的裂纹扩展方向不同,且主裂纹在各阶段扩展长度、速度不同;同时,次生裂纹参数(数量、长度、宽度、走向)存在差异。     

含双裂隙组灰岩边坡渐进失稳过程分析

利用离散元MatDEM软件二次开发功能建立了含双裂隙组的灰岩边坡数值模型,重点关注边坡位移和摩擦热的变化情况,分析了含双裂隙组灰岩边坡的渐进失稳过程,再与矿山现场位移监测数据和边坡坡顶破坏模式进行对比。结果表明,含双裂隙组灰岩边坡的破坏过程在竖向裂隙的影响下是一个由表及里逐步“剪切滑移-张拉断裂”的渐进失稳过程,依据滑移面的数量可分为裂隙贯通、初层滑动、二层滑动和三层滑动4个阶段。数值模拟结果与矿山现场监测数据一致,证实了MatDEM软件在研究裂隙边坡破坏模式上的可适用性,可为矿山未来的监测和治理提供参考。     

基于ABAQUS的含裂纹提升机主轴的有限元分析

以含裂纹提升机主轴为研究对象,利用ABAQUS的子模型技术,模拟计算了不同工况下提升机主轴三维表面裂纹附近的应力应变场,获取了J积分在承受复杂载荷的主轴椭圆裂纹扩展过程中的变化规律。研究结果表明,椭圆裂纹中点和两端的扩展明显要慢于裂纹其他部位,并为轴类零件结构完整性评价提供了一定的理论依据。     

河北平原地裂缝的研究与分析

河北平原地裂缝在时空上呈现递增和扩展的趋势,地裂缝往往是诸多因素共同作用的结果。地裂缝的成因总体遵循构造运动主导,地形地貌、土体岩性、降水作用为条件产生。地裂缝的破坏力是持续和长久的,对其形成机制和现状的研究具有非常实用的价值。     

基于扩展有限元的渗流作用下岩石裂纹扩展研究

基于弹性力学和断裂力学的理论对裂纹的起裂准则、扩展长度进行了理论分析。使用扩展有限元方法建立裂纹岩体模型,针对单裂纹在渗流应力状态下的扩展规律进行了数值模拟,对渗流-应力耦合下的裂纹扩展规律进行了研究。     

基于离散元的碎裂岩质边坡卸荷松弛特征研究

边坡卸荷松弛特征对边坡稳定性具有重要影响。采用颗粒流法模拟碎裂岩质边坡卸荷全过程,探讨卸荷过程中能量、位移的时空演化规律。基于PFC模拟和探地雷达探测提出一种新的卸荷分区判定方法。研究结果表明:边坡卸荷过程能量经历骤变、波动、平稳3个过程,外力功大多以应变能的形式存储在岩体中;边坡平均卸荷深度达2 m,探地雷达在边坡卸荷区检测中具有良好的适用性;基于边坡变形特征和探测结果,将边坡分为开挖损伤区、卸荷影响区和轻微扰动区。